【正文】 ，液晶數(shù)據(jù)口接收到的信號(hào)為高電平。在本 次電路中，將單片機(jī)的 P36 和 P37 分別用來(lái)讀寫 FM24C64，可以充分利用單片機(jī)資源，先使用 I2C 協(xié)議將此款存儲(chǔ)器的讀寫函數(shù)寫出來(lái)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)的時(shí)候，調(diào)用寫命令，將數(shù)據(jù)寫入到指定的存儲(chǔ)單元，當(dāng)要讀存儲(chǔ)器的數(shù)值的時(shí)候，調(diào)用讀命令將對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)值賦給一個(gè)變量即可，另外在本設(shè)計(jì)中使用此款存儲(chǔ)電路用來(lái)存儲(chǔ)前一次的功率因數(shù)，并且在數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程中，將存儲(chǔ)的功率因數(shù)顯示到屏幕中去。通過(guò)計(jì)算功率因數(shù)，把計(jì) 第 20 頁(yè) 共 65 頁(yè) 算出來(lái)的數(shù)字和我們?cè)瓉?lái)設(shè)定好的數(shù)字比較下，根據(jù)比較的結(jié)果，送到單片機(jī)里面，讓單片機(jī)自己運(yùn)行需要幾組電容器。而且為了實(shí)現(xiàn)這次設(shè)計(jì)，在單片機(jī)的輸出投切信號(hào)的端口要跟 1 個(gè)三極管相連，所以三極管和繼電器可以進(jìn)行同時(shí)的導(dǎo)通和斷開(kāi)。 圖 12 SSR 固態(tài)繼電器及驅(qū)動(dòng)電路圖 電容投切電路設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中，使用的是 PNP 型的三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。 本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)供電電源為 5V，由于運(yùn)放和外部存儲(chǔ)單元以及 ADC 電路都屬對(duì)電源的紋波要求較高，所以系統(tǒng)供電采用線性 電源。 12P2電源Vin VoutGNDVR1Volt RegC11470uFC1210uFC13GNDVCCAC2V+1AC4V3D5Bridge2T1Trans CuplS6SWDPSTC14 第 22 頁(yè) 共 65 頁(yè) 圖 14 系統(tǒng)電源電路 如圖 14 所示，電路圖的原理如下， 220V 交流電經(jīng)過(guò)線性變壓器 T1 變壓后轉(zhuǎn)換成一個(gè)峰值比較小的交流信號(hào)，通過(guò)整流橋后，交流小信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)的直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)后級(jí)的電容 C14 和 C11 的濾波，信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)很小的直流信號(hào)，通過(guò) 5V 的穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路后，輸出 5V 的直流電壓，后級(jí)接兩個(gè)電容用于穩(wěn)壓以及減少輸出電壓的的脈動(dòng)。在這個(gè)軟件中，我們可以用 C語(yǔ)言編寫程序，生成 HEX 文件用在其他的仿真軟件中進(jìn)行仿真。另外， C 語(yǔ)言還有效率高的，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。其中主程序主要完成電容的投切，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及顯示，中斷程序?yàn)閮蓚€(gè)外部中斷，分別用于 ADC0832 測(cè)量系統(tǒng)的電壓以及電流，最主要的是測(cè)量電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首 先進(jìn)行初始化 ,包括定時(shí)器 ,中斷 ,ADC，存儲(chǔ)器以及液晶顯示器的初始化。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，并且將系統(tǒng)的功率因數(shù)校正到 以上。該中斷程序包括兩個(gè)外部中斷，以及定時(shí)器 1工作在定時(shí)模式，用于計(jì)量功率因數(shù)角度。計(jì)數(shù)最大值為65535。 在實(shí)際的測(cè)量電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的時(shí)候，這也是一種最為簡(jiǎn)單最為方便的方法，特別是對(duì)于在系統(tǒng)中對(duì)于控制器成本要求比較高的環(huán)境中，這也可以很大程度上節(jié)約成本。 所以 ，在仿真中我們需要補(bǔ)償?shù)碾娙萑缦卤? 表 1 需求補(bǔ)償電容值 電感 (mH) 5 7 9 11 13 15功率因數(shù)補(bǔ)償前 補(bǔ)償后 需求電容值 1200uF 800uF 550uF 400uF 300uF 200uF 第 28 頁(yè) 共 65 頁(yè) 5 系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析 通過(guò)第 3 章和第 4 章設(shè)計(jì)，本文完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而且，proteus 也在不斷的進(jìn)步中，它在 2020 年的時(shí)候，又在軟件里面添加了一些功能，比如數(shù)字信號(hào)處理， Cortex 等系列的處理器。 在系統(tǒng)中，在節(jié) 點(diǎn) HH 處，補(bǔ)償電容 C1，實(shí)際中 C1 是電容投切電路，通過(guò)改變電容大小可以方便測(cè)量出系統(tǒng)的功率因數(shù)，由于系統(tǒng)的要求電壓為 220V，電流為 100A，所以在系統(tǒng)中，由于要求系統(tǒng)電流為 100A，所以當(dāng)補(bǔ)償完成后，系統(tǒng)的相當(dāng)于阻性負(fù)載 RUI /? ,則可以取電阻為 ? ，而功率因數(shù)通過(guò)計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 5mH 時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 15mH 時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ,滿足系統(tǒng)的從功率因素 補(bǔ)償?shù)? 的要求?；?51 單片機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的 Proteus 建模圖如圖 18所示。 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 通過(guò)上一節(jié)的分析可以知道，通過(guò)液晶可以輕松的知 道，當(dāng)前的運(yùn)行狀況，通過(guò)不斷的改變系統(tǒng)中的電感值，可以很方便的看到系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，以及系統(tǒng)的工作情況。 。如下圖 19，圖 20，圖 21，圖 22，圖 23，圖 24，圖 25。 Proteus 仿真建模原理圖詳見(jiàn)附錄。詳細(xì)的仿真圖見(jiàn)圖 17 中所示，電壓電流均用變壓器來(lái)采取，然后通過(guò)換算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)腳。本文選用 Proteus 作為本系統(tǒng)的建模仿真環(huán)境。完成本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)試，已驗(yàn)證本設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。 在計(jì)算投切的過(guò)程中需要理論依據(jù)， 1? 為補(bǔ)償前的功率因數(shù) ， 2? 是補(bǔ)償后的功率因素， P是系統(tǒng)的功率，則計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)碾娙菘梢杂檬?1和式 2計(jì)算得到公式 3. )2ta n1ta n( ?? ?? PQ （ 1） CUQ ?2? （ 2） ? ??2 )2ta n1ta n( UPC ?? （ 3） 通過(guò)用公式 3 就可以通過(guò)測(cè)量出需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，在?shí)際的計(jì)算中將電容的值分別設(shè)計(jì)為 25uF, 50uF, 100uF, 200uF, 400uF, 800uF, 1600F, 3200uF 八組電容值，計(jì)算出電容 C 后， 用得到的電容 C除以 25uF 就可得到一個(gè)數(shù)值 N,將這個(gè) N直接賦給控制端 P2便可以得到相應(yīng)的電容值。當(dāng)通過(guò)外部中斷控制定時(shí)器開(kāi)啟時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)計(jì)數(shù)，一直等到另外一個(gè)中斷來(lái)停止計(jì)數(shù)器，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，定時(shí)向上累加的值便是兩個(gè)下降沿的時(shí)間差，由于系統(tǒng)的時(shí)鐘是沒(méi) 1us 計(jì)數(shù)一次，便可以方便的計(jì)算出系統(tǒng)的兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位差。 中斷程序流程圖如圖 16 所示。 第 24 頁(yè) 共 65 頁(yè) 開(kāi) 始定 時(shí) 器 初 始 化存 儲(chǔ) 器 初 始 化液 晶 初 始 化ADC初 始 化開(kāi) 啟 中 斷顯 示 界 面檢 測(cè) 功 率 因 數(shù)小 于 循 環(huán) 投 切 電 容 程 序儲(chǔ) 存 功 率 因 數(shù)結(jié) 束NY 圖 15 系統(tǒng)主程序流程圖 用戶設(shè)置完成后，開(kāi)啟中斷，實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的功率因數(shù)角以及電壓電流的信號(hào)，當(dāng)功率因數(shù)不滿足要求的時(shí)候，開(kāi)啟系統(tǒng)電容投切程序，將系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)? 以上， 第 25 頁(yè) 共 65 頁(yè) 當(dāng)滿足要求后，將 補(bǔ)償前的功率因數(shù)角存入到存儲(chǔ)器中，并且實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的電壓值電流值以及功率因數(shù)角。將定時(shí)器的定時(shí)值配置好，初始化完成后，開(kāi)啟中斷。同時(shí)對(duì)于電容投切理論以及程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。但 在使用和維護(hù) C 語(yǔ)言編寫的程序時(shí)，就不會(huì)遇到這樣的困擾，這時(shí)候 C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)就大大的體現(xiàn)出來(lái)了。其次，它豐富的運(yùn)算和數(shù)據(jù)類型，便于實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)解耦。 在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)于 220V 交流電的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)要計(jì)算電容的補(bǔ)償量，需要對(duì)系統(tǒng)的各種阻抗分析，所以這個(gè)輔助電源最好不能接到電網(wǎng)中，接到電網(wǎng)中將給電網(wǎng)帶來(lái)很大的不確定因素，導(dǎo)致不能定量的分析，但是當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，可以將這個(gè)輔助電源上掛到系統(tǒng)中。所接電源為 220V交流市電。 第 21 頁(yè) 共 65 頁(yè) K1RelaySPSTR121000GND5V25pFC5CapHHQ1PNP 圖 13 無(wú)功補(bǔ)償電容投切電路及其控制電路電路圖 如圖 13 所示：無(wú)功補(bǔ)償電容投切電路由繼電器，三極管以及電容構(gòu)成，其工作原理如下，通過(guò)單片機(jī)的 口來(lái)控制 PNP三 極管的導(dǎo)通與截止，由三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷，從而控制電容是否投切到網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為 HH 的線路中，當(dāng)單片機(jī) 輸入高電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷開(kāi)，電容不投切，當(dāng)單片機(jī) 輸入低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，電容投切到電路中。 本次設(shè)計(jì)中就選用 SSR50DA 固態(tài)繼電器作為電容投切的繼電器，通過(guò)使用單片機(jī)輸出電平信號(hào)來(lái)控制繼電器的通斷。而 SSR50DA 固 態(tài)繼電器為雙向可控硅輸出，零電壓開(kāi)啟，零電流關(guān)斷；輸入回路與輸出回路之間有光電隔離很好的保證了抗干擾性。 電容投切原理 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求每次投切都需保證功率因素 cos∮能從 達(dá)到 左右，所以此裝置設(shè)計(jì)了幾乎每種可能的需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r。 控制電路液晶電路12346578RST(VPD)9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20VCC403938373635343332EA/VDD31ALE/PROG30PSEN292827262524232221U1STC89C52GND1VCC2VO3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714A15K16LCD1VCCVCC10KR2Res TapVCCVCC12Y112MC222pC322pR1010kC110uFVCCS3SWPBP00P02P03P04P05P06P07P01123456781615141312111091KR3Res Pack3VCCP00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37D1LED1GND470R21P15 圖 10 控制器最小系統(tǒng) 第 19 頁(yè) 共 65 頁(yè) 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì) 本次電路中使用 64 位非遺失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器，它是一種串行非易失性記憶體，它的邏輯結(jié)構(gòu)為 8192*8 位，接口為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線接口，與串行 EEPROM 的功能操作相似，不同之處在于鐵電存儲(chǔ)器比 EEPROM 寫的速度快的多，無(wú)延時(shí) ,如圖 11 所示。由于 51單片機(jī)設(shè)計(jì)者為了滿足多電平的兼容性。由于 液晶顯示以及程序設(shè)計(jì)靈活，可以省去數(shù)碼管顯示的繁瑣操作。 電壓電流的信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較電路后，直接送到單片機(jī)的 INT0 和 INT1 口。 電路中為了計(jì)時(shí)方便計(jì)算，本設(shè)計(jì)的晶振選用 12MHz 無(wú)源外部晶振。 在當(dāng)前，我們所知道的的大多數(shù)液晶顯示器都是根據(jù) HD44780 來(lái)設(shè)計(jì)的，雖然型號(hào)可能不相同，但是大多數(shù)的運(yùn)行原理是相同的，所以這些顯示器的控制程序都可以用那控制 44780 的程序。 字符型液晶又是 LCD1602 的另一個(gè)稱呼，如圖 8 所示。 51單片機(jī)內(nèi)部的 Timer/counter 兩個(gè)結(jié)構(gòu)是相似的， TL0和 TH0兩個(gè)功能相反的寄存器 第 17 頁(yè) 共 65 頁(yè) 構(gòu)成了 Timer 的其中一個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器 T0，同樣的是 TL1和 TH1這兩個(gè)功能相反的寄存器就組成了 Timer 的另外一個(gè)寄存器 T1。 在本設(shè)計(jì)中我們就可以運(yùn)用到外部中斷，因?yàn)橥獠恐袛嗍峭獠吭O(shè)備發(fā)出的，比如：Timer 發(fā)出的中斷信號(hào)等。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用 STC89C52的外部中斷和定時(shí)器中斷等片上自帶的外部資源 中斷系統(tǒng) 一個(gè)外部的突發(fā)情況進(jìn)入到處理器中 ，那么處理器就會(huì)中斷，這是一個(gè)對(duì)處理器很重要的一個(gè)技術(shù)。如果有需要的信號(hào)要輸送到里面，那么時(shí)鐘信號(hào)就必須要流過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，所以，對(duì)于外面信號(hào)的脈沖寬度我們可以不做要求 ，但是我們一定要確定這個(gè)信號(hào)的電平的寬度。當(dāng)它被輸入 1 之后，就可以上拉成高電平信號(hào)，而且可以作為輸入 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口。 ● P1 口：是一個(gè)八位的雙向輸入 /輸出口，并且可以提供上拉電阻。 圖 8 STC89C52 管腳分布 ● VCC：是為單片機(jī)運(yùn)行提供電壓的， ● GND：為了安全，所以需要有接地。